(57)【要約】  ねじ継手の締め付け時に得られたクランプ力を少なくとも１つのトルクパルスシーケンスにより推定する方法であって、一次トルクパルスを加えて、締め付け方向で前記ねじ継手を回転させるステップと、前記一次トルクパルスによって得られたトルクレベルを測定するステップと、二次トルクパルスを加えて、緩み方向で前記ねじ継手を回転させるステップと、前記二次トルクパルスによって得られたトルクレベルを測定するステップと、前記一次トルクパルスによって得られたトルクレベルと前記二次トルクパルスによって得られたトルクレベルとの間の差を計算し、前記得られたトルクレベルの差から、得られたクランプ力を推定するステップと、を含む方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ継手の締め付け時に得られたクランプ力をトルクパルスシーケンスにより推定する方法であって、
一次トルクパルスを加えて、締め付け方向で前記ねじ継手を回転させるステップと、
前記一次トルクパルスによって得られたトルクレベルを測定するステップと、
二次トルクパルスを加えて、緩み方向で前記ねじ継手を移動させるステップと、
前記二次トルクパルスによって得られたトルクレベルを測定するステップと、
前記一次トルクパルスによって得られたトルクレベルと前記二次トルクパルスによって得られたトルクレベルとの間の差を計算し、前記得られたトルクレベルの差から、得られたクランプ力を推定するステップと、を含む方法。
【請求項２】
所定の目標クランプ力レベルと推定された前記クランプ力とを比較して、推定された前記クランプ力が前記目標クランプ力レベルよりも低い場合には、前記トルクパルスシーケンスが、連続してより高いトルクレートで繰り返される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ねじ継手締め付けプロセスは、特定のトルクレベルに達するまで複数の後続の一次トルクパルスの印加を含む初期段階を含み、前記一次トルクパルスの最後の一次トルクパルスに二次トルクパルスが続いて、達成されたクランプ力の推定を可能にするトルクパルスシーケンスを形成し、前記目標クランプ力は、少なくとも１つの更なるパルスによって得られた推定クランプ力を外挿することによって到達される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の方法を実施するよう適合されたパワーレンチであって、該パワーレンチが、出力シャフトに結合された電気回転モータと、前記モータに接続された動作制御手段と、を備え、
前記動作制御手段が、
前記一次トルクパルス及び前記二次トルクパルスを含むトルクパルスシーケンスを達成するために、対向する方向のトルクパルスを前記出力シャフトに供給する手段と、
前記一次トルクパルス及び前記二次トルクパルスによって達成されるトルクの大きさの差を確立する手段と、
前記一次トルクパルスによって得られたクランプ力を推定する手段と、を含む、パワーレンチ。
【請求項５】
前記回転モータが電気モータであり、トルクパルスを前記出力シャフトに供給する手段が、電流パルスを前記モータに供給するよう構成されたパワー制御ユニットを含む請求項４に記載のパワーレンチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじ継手締め付けプロセスで達成されるクランプ力を推定する方法に関する。詳細には、本発明は、パルス作動型パワーレンチによって行われるねじ継手締め付けプロセスにおけるクランプ力推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、ねじ継手を締め付けるときには、締め付けプロセスの結果として達成されたクランプ力を測定すること、又は計算することですら困難である。締め付け結果を測定する最も容易であまり複雑でない方法は、印加トルクを示すことであるが、これは締め付けプロセスの最終的且つ最も重要な目的、すなわちクランプ力を達成することとは関連しない。ねじ継手において不確定要因は摩擦力であり、特に摩擦係数が決して一定ではないので、締め付け結果の誤った表示の原因となる。
【０００３】
得られたクランプ力に関する信頼できる情報を得るためのこれまでの最も安全な方法は、折り畳み式ワッシャー、スクリュー張力調整装置又はねじ継手を通る超音速音波の移動時間を測定するための設備を使用することであったが、これらの方法は時間がかかり、及び／又は高価であり、組み立てライン稼働には適していない。追加の設備を使用することなくクランプ力に関する情報を得るための別の方法は、降伏点まで、すなわち、ねじ継手の材料がその組成その塑性変形ゾーンに到達する締め付けレベルまでねじ継手を締め付けることである。残念ながら、この方法もまた摩擦の影響に依存し、これは、ねじ継手が降伏点レベルに影響を及ぼす軸方向歪みと捩れ歪みの組み合わせに晒されることを意味する。このことは、軸荷重又はクランプ力だけの結果としては降伏点に到達せず、クランプ力がねじ継手の降伏点歪みに十分には対応しないことを意味する。
【０００４】
しかしながら、ねじ継手の摩擦抵抗の影響が排除されて、ねじ継手を締め付ける際に実際に得られるクランプ力の情報を得る別の方法がある。当該既知の方法は、摩擦の影響を排除するプロセスに基づいており、緩み方向でのねじ継手の動きを達成するために、ねじ継手をあるトルクレベルに締め付けた後、ねじ継手に逆トルクを加えるシーケンスを含む。締め付けトルクと緩みトルクの差は、ねじ継手の摩擦抵抗の大きさを示しており、これは、加えたトルクを測定して、摩擦によって引き起こされるトルク抵抗を差し引くことだけで、ねじ継手を目標初張力レベルまで締め付けることができることを意味する。
【０００５】
締め付けトルクと緩みトルクをねじ継手に交互に加えることによってねじ継手で得られるクランプ力を計算し推定する上述のタイプのプロセスは、既に米国特許第５，５７１，９７１号に記載されている。この従来技術の方法によれば、連続トルク伝達装置を介してねじ継手に締め付けトルクと緩みトルクが交互に加えられ、これは、手持ち式パワーレンチの場合、操作者に望ましくない厄介な応力をもたらす結果となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，５７１，９７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、何らかの追加の高度な設備を用いることなく、ねじ継手を締め付ける際に実際に得られるクランプ力に関する信頼できる情報及び制御を得る方法を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、摩擦力の影響が交互の締め付け及び緩みシーケンスによって排除される推定プロセスを介して、ねじ継手を締め付ける際に実際に得られるクランプ力に関する信頼できる情報及び制御を得る方法を提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、トルク伝達装置に重大な反動力を生じさせることなく、ねじ継手に実際に得られるクランプ力に関する信頼できる情報及び制御を得るための方法を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的及び利点は、以下の明細書及び添付の請求項から明らかになるであろう。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるトルクパルスシーケンスを示すグラフである。
【図２】本発明による、２〜３の連続したトルクパルスを示すグラフである。
【図３】本発明による、連続した締め付けパルス及びトルクパルスを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図のグラフに示された本発明による方法は、折り畳み式ワッシャーのような追加の物理的手段又はねじ継手引張測定もしくは超音波移動時間測定のための高度な装置を使用することなく、締め付けられたねじ継手で得られたクランプ力の情報を得る方法を含む。代替として、本発明は、単純で直接的に設計されたパワーレンチ、すなわちトルク変換器を備え電流パルス生成ユニットによって制御される電気式パワーレンチを使用することができる方法を提供する。
【００１４】
上述のように、本発明は、締め付けの際にねじ継手における得られたクランプ力に関する信頼できる情報及び制御を得る簡易化された方法を目的とする。しかしながら、これは、測定及び設置トルクが得られたクランプ力に相当するように、ねじ継手における摩擦力の影響を排除しなければならないことを意味する。これは、締め付けトルクと緩みトルクのトルク差が測定及び計算される、上述の公報に記載された従来技術の方法の基本原理を用いることにより達成される。このトルク差は、継手の摩擦抵抗によって引き起こされる。しかしながら、締め付けられているねじ継手に別個の電流パルスを加えることに基づく、本発明による改善された方法は、プロセスの持続時間及び操作者への人間工学的歪みに関して大幅に改善することを意味している。また、トルク伝達パワー工具又は機械的固定具に保持されるトルクスピンドルの場合には、反動力の低減に起因して固定具の堅牢さに関する要求がより少ないという利点が得られる。
【００１５】
本発明によれば、締め付け方向並びに緩み方向でねじ継手にかかるトルクの印加は、トルクパルスの形態で適用され、得られたクランプ力の決定は、基本的に、ねじ継手の締め付け方向の最初の一次トルクパルスと、その後に続く緩み方向の二次トルクパルスとを各々が含むトルクパルスシーケンスによって実施される。緩み方向でのねじ継手の僅かな移動を達成するのに有効なトルクの大きさと同様に、締め付け方向のパルスによって達成されるトルクの大きさが測定され、その後、一次パルス及び二次パルスのトルクの大きさの差が計算される。トルクの大きさの差は、ねじ継手の摩擦抵抗に対応し、これは、摩擦に関連する誤差の原因が排除され、実際に得られるねじ継手におけるクランプ力を推定できることを意味する。
【００１６】
図１には、Ｙ軸にトルクＴ及び電流Ｉ、Ｘ軸に時間ｔとして、使用中のパワーレンチモータに供給される大きさＩAの電流パルスＰAによって達成される一次トルクパルスＡと、パワーレンチモータに供給される大きさＩBの逆方向の電流パルスＰBによって達成される二次トルクパルスＢとを含むトルクパルスシーケンスＳが示されている。一次トルクパルスＡは、トルク量ＴAに達し、二次トルクパルスＢは、反対方向のトルクの大きさＴBを有する。トルクの大きさＴA及びＴBが登録され、これらの差が計算される。この差から、一次トルクインパルスＡの終わりで得られるクランプ力を推定することができる。図１に示すように、二次パルスＢは、一次パルスＰAの大きさＩAよりも実質的に低い大きさＩBを有する反対方向の電流パルスＰBによって達成される。これは、２次トルクパルスＢが、緩み方向での僅かな移動を達成するだけで、ねじ継手を完全に緩めるほどには強くはならないことを意味する。緩みトルクＴbを測定できる短い距離だけねじ継手を緩めることが望まれる。
【００１７】
図２には、Ｙ軸にトルクＴ及び電流Ｉ、Ｘ軸に時間ｔとして、所望のクランプ力にまでねじ継手を締め付ける実際的方法が示されている。この締め付けプロセスは、２つの連続したパルスシーケンスＳ1及びＳ2と、第３の別個のトルクパルスＡ3とを含み、トルクの大きさの最初の２段階の増加は、トルクの大きさＴA1及びＴA2を有する締め付けトルクパルスＡ1及びＡ2によって達成され、電流パルスＰB1及びＰB2によって開始される。両方のパルスシーケンスＳ1及びＳ2において、締め付け方向の電流パルスＰA1及びＰA2の大きさは同じであるが、第１のパルスＡ1の得られたトルクの大きさＴA1は、第２のパルスＡ2のトルクの大きさＴA2よりも小さい。締め付け方向及び緩み方向パルスＢ1及びＢ2での得られたトルクの大きさＴA1及びＴA2の差が計算され、得られたクランプ力が推定される。その後、第３の電流パルスＰA3が印加されて、第３のトルクパルスＡ3がトルクの大きさＴA3に達し、ここで得られるクランプ力は、前の２つのパルスシーケンスＳ1及びＳ2について推定されたクランプ力の外挿によって計算される。加えられたトルクと結果として生じたクランプ力との間の相関関係が確立され、これは、最終クランプ力ＴＡ３を決定するのに完全なパルスシーケンスが必要ではないことを意味する。
【００１８】
図３には、Ｙ軸にトルクＴ及び電流Ｉ、Ｘ軸に時間ｔとして、本発明によるパルス技術によってねじ継手を締め付ける代替のプロセスが示されている。この締め付けプロセスにおいて、２つの同一の電流パルスＰＡ10及びＰＡ11から生じた２つの最初のトルクパルスＡ10及びＡ11がねじ継手に誘起される。結果として得られるトルクの大きさは、段階的に増大する。これら２つの最初のトルクパルスの後に、締め付け方向の一次パルスＡ12及びその後にねじ継手緩み方向の二次パルスＢ12を生じる電流パルスＰＢ12を含む完全パルスシーケンスＳ12が続く。このパルスシーケンスＳ12は、ねじ継手の摩擦抵抗を確立し、得られたクランプ力の推定を可能にする目的を有する。トルクパルスＡ12によって得られたトルクレベルＴA12と、これによって得られるように推定されるクランプ力との間の相関関係を知ることで、所定の目標締め付けレベル、すなわち所望のクランプ力レベルに達することを目的として、更に２つのトルクパルスＡ13及びＡ14が適用される。これは、特定の推定クランプ力に対応するトルクレベルＴA12の外挿によって達成され、トルクレベルＴA12にて所望の目標クランプ力が得られるまでトルクパルスＡ13及びＡ14による締め付けプロセスが継続する。トルクレベルと得られたクランプ力との間の関係は、完全パルスシーケンスＳ12により推定及び決定されているので、最後の２つのトルクパルスの後にねじ継手の緩み方向のトルクパルスが続く必要はない。締め付けプロセスは、トルクパルスＡ13及びＡ14を介してトルクレベルＴA12から外挿されたトルクレベルにまでねじ継手を締め付けるだけで完了することができる。
【００１９】
得られたトルクレベルＴＡ13は、先行する一次トルクパルスＡ12によって得られたトルクレベルＴＡ12よりも低い点に留意されたい。しかしながら、これは、先行するパルスシーケンスＳ12の二次トルクパルスＢ12によってねじ継手が緩め方向に幾らか移動したことに起因し、このことは、トルクパルスＡ13がより低いトルクレベルから始まることを意味する。誘導電流パルスＰＡ10〜ＰＡ14の全ての大きさは同じ電流レベル、すなわちＩAである点にも留意されたい。
【００２０】
締め付けプロセスは、ねじ継手のタイプ及び動作状況に応じて、異なる数のパルスシーケンス及びトルクパルスを含むことができる。例示の実施例では、締め付けプロセスは、２つの最終トルクパルスＡ13及びＡ14によって完了しているが、このパルス数は、それ自体が重要ではなく、締め付け目標に達するのに必要なただ１つのパルス又は複数のパルスとすることができる。
【００２１】
本発明による方法を実施するのに適したパワーレンチは、出力シャフトを介して供給されるトルクの大きさを測定するためのトルクトランスデューサを含む動力伝達装置を介して出力シャフトに連結された電気モータによって動力が供給される。モータの動作は、本発明による方法の実際の実施形態、すなわち、幾つのパルスシーケンス及び／又は別個のトルクパルスが必要とされるかに応じて、電流パルスをモータに送る手段を備える駆動ユニットによって制御される。本発明は、上述の実施例に限定されず、請求項の範囲内で変えることができる点に留意されたい。従って、本発明による方法を実施するためパルス供給モータを有するパワーレンチを用いるのではなく、モータを出力シャフトに結合するインパルス又はインパクト機構を有するパワー工具を用いることもできる。モータ及びインパルス又はインパクト機構は、ねじ継手の緩み方向でもトルクパルスを供給できるように可逆的であることが必要とされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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